C語言程序設(shè)計基礎(chǔ)（01）——計算機與程序設(shè)計基礎(chǔ)

• 一、計算機組成及基本原理
• • 1、計算機硬件系統(tǒng)
  • 2、計算機軟件系統(tǒng)
  • 3、計算機工作原理
• 二、程序設(shè)計基礎(chǔ)
• • 1、程序設(shè)計風(fēng)格
  • 2、結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計（structured programming）
• 三、C語言程序基本結(jié)構(gòu)和開發(fā)過程
• • 1、C語言程序的基本結(jié)構(gòu)
  • 2、C語言程序開發(fā)過程
  • 3、程序開發(fā)環(huán)境

寫在前面
　　我剛上大學(xué)的時候，學(xué)的第一門計算機編程語言就是 Ｃ語言，當(dāng)時覺得這仿佛是天書，畢竟腦子里只有中學(xué)數(shù)學(xué)課上那點簡單的流程圖和VB概念，但是隨著多年的練習(xí)和開發(fā)使用，我漸漸地開始掌握并喜歡上了這門語言，并且也開始學(xué)習(xí)C++、C#、JAVA等其它編程語言。不得不說，C語言的學(xué)習(xí)為我打下了良好的編程基礎(chǔ)，同樣也讓我越來越清晰地認(rèn)識到自己的不足。如今時代呈現(xiàn)指數(shù)式發(fā)展，尤其在IT等行業(yè)， 必須保證自己永遠(yuǎn)在學(xué)習(xí)新的知識技能，否則迎接你的就是淘汰。
　　大一課堂使用的課本是《C語言程序設(shè)計（第2版）》（姚琳 主編，屈微 副主編），雖然課本上也有一些小的瑕疵，但掩蓋不了它開蒙啟智的光輝。搬磚之余，在這里整理回顧下C語言的基礎(chǔ)知識，感謝當(dāng)年老師細(xì)致入微的指導(dǎo)，幫助我們解決了程序上數(shù)不盡的bug，為我們打下了良好的編程基礎(chǔ)。

一、計算機組成及基本原理

計算機系統(tǒng)構(gòu)成：

• 硬件系統(tǒng)
  • 主機
    • 內(nèi)存儲器（內(nèi)存）
    • 中央處理器（CPU，Central Processing Unit）
      • 運算器
      • 控制器
  • 外部設(shè)備（外設(shè)）
    • 輸入輸出設(shè)備
    • 外存儲器（外存）
• 軟件系統(tǒng)
  • 應(yīng)用軟件
  • 系統(tǒng)軟件
    • 操作系統(tǒng)
    • 語言處理程序
    • 服務(wù)程序

完整的計算機系統(tǒng)包含兩個部分：硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)。二者相輔相成，仿佛軀體和靈魂不可分割。

1、計算機硬件系統(tǒng)

（1）概念
　　組成計算機的各種電磁、機械部件和設(shè)備裝置的總稱，硬件（Hard ware） 系統(tǒng)是計算機實現(xiàn)自動控制和運算的物質(zhì)基礎(chǔ)。
　　
（2）馮·諾依曼結(jié)構(gòu)
　　組成：運算器、存儲器、控制器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備。
　　特點：程序和數(shù)據(jù)以二進(jìn)制形式存在存儲器中，在控制器的指揮下，自動從存儲器中取指令并執(zhí)行。¹

• 運算器
  　　對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和運算?；静僮?#xff1a;算術(shù)運算、邏輯運算。
  　　包括算術(shù)邏輯單元（ALU，Arithmetic Logic Unit）和寄存器。
• 存儲器
  　　用來存儲程序和數(shù)據(jù)。由許多存儲單元組成，每個單元有自己的地址，可根據(jù)地址找到所需數(shù)據(jù)和程序。
  　　分為兩類：
  　?、?strong>內(nèi)存儲器（主存儲器）：存儲當(dāng)前要執(zhí)行的程序和數(shù)據(jù)以及中間結(jié)果和最終結(jié)果。
  　?、?strong>外存儲器（輔助存儲器）：長期存儲大量暫時不參與運算的數(shù)據(jù)和程序以及運算結(jié)果。
• 控制器
  　　指揮計算機各部件協(xié)調(diào)工作?？刂?#xff1a;將輸入設(shè)備輸入的程序和數(shù)據(jù)存入存儲器，按照程序要求指揮運算器進(jìn)行運算處理并把結(jié)果再存入存儲器中，最后將結(jié)果傳給輸出設(shè)備。
  　　主要組成部分：
  　?、?strong>程序計數(shù)器（PC，Program Counter）：存放當(dāng)前要執(zhí)行的指令地址，有自動加1的功能。
  　?、?strong>指令寄存器（IR，Instruction Register）：存放當(dāng)前要執(zhí)行的指令代碼。
  　　③指令譯碼器（ID，Instruction Decoder）：識別IR中指令的性質(zhì)和操作。
  　?、?strong>操作控制器（Operation Controller）：根據(jù)ID的譯碼，產(chǎn)生實現(xiàn)該指令全部動作的控制信號。
• 輸入設(shè)備
  　　將用戶的程序、數(shù)據(jù)和命令輸入到計算機內(nèi)存的設(shè)備。標(biāo)準(zhǔn)輸入設(shè)備是鍵盤。其它常用輸入設(shè)備：鼠標(biāo)、掃描儀、語音輸入設(shè)備、手寫識別輸入設(shè)備等。
• 輸出設(shè)備
  　　顯示、打印或保存計算機運算和處理結(jié)果。標(biāo)準(zhǔn)輸出設(shè)備是顯示器。其它常用輸出設(shè)備：打印機、繪圖儀、數(shù)據(jù)投影設(shè)備（投影儀）等。

2、計算機軟件系統(tǒng)

（1）概念
　　軟件（Software） 是計算機系統(tǒng)中各類程序、有關(guān)文檔以及所需要的數(shù)據(jù)的總稱。
　　程序：為了解決某一問題而設(shè)計的一系列指令或語句的集合。只是軟件的一部分。
　　源程序（Source Program）：用戶為解決自己的問題編制的程序。
　　計算機指令：用來控制計算機、告訴計算機進(jìn)行怎樣操作的命令。
　　
（2）兩大分類

• 系統(tǒng)軟件
  　　用來管理、維護(hù)計算機及協(xié)調(diào)計算機內(nèi)部更有效工作。
  ?、?strong>操作系統(tǒng)（核心軟件）
  　　對計算機系統(tǒng)進(jìn)行控制和管理的大型軟件。
  　　操作系統(tǒng)的基本任務(wù)：
  　　　　1）管理好計算機的全部資源（包括CPU、存儲器、程序、數(shù)據(jù)、各種外設(shè)）；
  　　　　2）擔(dān)任用戶與計算機之間的接口。
  　　操作系統(tǒng)的主要功能：
  　　　　CPU管理、存儲管理、文件管理、設(shè)備管理、作業(yè)管理。
  ?、?strong>語言處理程序
  　③服務(wù)性程序

• 應(yīng)用軟件
  　　為某個具體應(yīng)用開發(fā)的軟件。如文字處理軟件、殺毒軟件、財務(wù)軟件、圖形軟件、工具軟件、游戲程序等。

（3）計算機語言的發(fā)展
　　人類的語言一般稱為自然語言。人為了讓計算機完成某種任務(wù)而需要的語言就是計算機語言。機器語言是計算機語言發(fā)展的原點，高級程序設(shè)計語言是計算機語言發(fā)展的重要階段。C語言是高級程序設(shè)計語言中的經(jīng)典，是深入掌握其他程序設(shè)計語言的基礎(chǔ)。

• 機器語言
  　　指令通常包含兩個部分
  　　　　①操作碼（Operation Code）：表示計算機執(zhí)行什么操作
  　　　?、?strong>操作數(shù)（Operand）：表示參加操作的數(shù)的本身或所在地址
  　　計算機發(fā)展的初期，用指令的機器碼（Machine Code）也就是用0和1組成的二進(jìn)制代碼形式來編寫源程序。
  　　是計算機能唯一識別和可直接執(zhí)行的語言，被稱為“面向機器的語言”。它占用內(nèi)存少，執(zhí)行速度快效率高，無須“翻譯”。但編寫麻煩，無通用性。
• 匯編語言
  　　通常用由指令功能英文單詞縮寫形成的 助記符（Mnemonic） 代替操作碼，用 符號（Symbol） 表示操作數(shù)。
  　　對于機器，必須用匯編程序?qū)R編語言源程序（.ASM）翻譯成機器語言程序即目標(biāo)程序（.OBJ），然后用連接程序?qū)⒛繕?biāo)程序連接成可執(zhí)行程序（.EXE）。
  　　匯編語言同樣具有很差的通用性，也屬于“面向機器的語言”。
• 高級語言（算法語言）
  　　特點是和人類的自然語言（英語）及數(shù)學(xué)語言比較接近，與硬件無關(guān)，無須熟悉計算機的指令系統(tǒng)。
  　　分類：
  　　　　面向過程　的高級語言：BASIC、FORTRAN、Pascal、C等。
  　　　　面向?qū)ο蟆〉母呒壵Z言：C++、JAVA等。
  　　高級語言的翻譯方式：
  　　　　編譯方式： 先通過編譯程序?qū)⒏呒壵Z言源程序（.C和.PAS等）編譯成目標(biāo)程序（.OBJ），翻譯過程中進(jìn)行語法檢查，如果有錯將給出錯誤信息，無錯才形成二進(jìn)制的目標(biāo)程序；然后通過連接程序進(jìn)行連接和定位，生成可執(zhí)行程序文件（.EXE）。類似于筆譯。
  　　　　解釋方式： 通過解釋程序，對源程序（.BAS）解釋一條語句便執(zhí)行一條語句，若發(fā)現(xiàn)錯誤便給出錯誤信息并停止解釋和執(zhí)行，無錯便解釋執(zhí)行到最后。不生成目標(biāo)文件和可執(zhí)行文件，重復(fù)運行程序需重新翻譯。效率低，執(zhí)行速度慢，但便于人機對話。類似于口譯。

3、計算機工作原理

馮·諾依曼結(jié)構(gòu)計算機的工作原理最重要之處是“存儲原理”，要先把編好的程序輸入存儲器中存儲起來，然后依次取出指令執(zhí)行。
　　每條指令的執(zhí)行過程分為3個基本操作：
　?、?strong>取出指令：從存儲器某個地址中取要執(zhí)行的指令；
　?、?strong>分析指令：送指令譯碼器進(jìn)行譯碼；
　　③執(zhí)行指令：向各個部件發(fā)送控制操作，完成指令要求。

二、程序設(shè)計基礎(chǔ)

1、程序設(shè)計風(fēng)格

風(fēng)格會影響軟件的質(zhì)量和可維護(hù)性。好的程序設(shè)計風(fēng)格可以使程序結(jié)構(gòu)清晰合理，使代碼便于維護(hù)?？紤]因素如下。
　　
（1）源程序文檔化
　　標(biāo)志符命名： 見名知義。
　　程序注釋信息：
　　　　序言性注釋：位于程序開頭，包括標(biāo)題、程序主要功能、主要算法、作者等。
　　　　功能性注釋：位于程序中間，描述變量含義、語句作用等。
　　視覺組織： 程序清晰，便于閱讀，使用空格、空行、縮進(jìn)技巧。
　　
（2）數(shù)據(jù)說明方法
　　數(shù)據(jù)說明應(yīng)注意次序規(guī)范化。例如多個變量按照字母順序排列，使用注釋來說明復(fù)雜數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)等。
　　
（3）語句構(gòu)造
　　當(dāng)不考慮效率時，程序編寫應(yīng)清晰第一，效率第二。
　　
（4）輸入輸出
　　輸入輸出方式和格式應(yīng)盡可能方便用戶使用。

2、結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計（structured programming）

以模塊化設(shè)計為中心，基本原則是：采用自頂向下、逐步細(xì)化的方法進(jìn)行設(shè)計，采用模塊化原則和方法進(jìn)行設(shè)計，限制使用goto語句。主要特點是：程序易于理解、使用和維護(hù)，提高了編程工作效率，降低了軟件開發(fā)成本。

程序化設(shè)計的基本結(jié)構(gòu)：
（1）順序結(jié)構(gòu)
　　最基本做常用的結(jié)構(gòu)，按照書寫順序依次執(zhí)行語句。
（2）選擇結(jié)構(gòu)（分支結(jié)構(gòu)）
　　按照給定條件判斷選擇執(zhí)行相應(yīng)的語句序列，可改變程序的執(zhí)行流程。
（3）循環(huán)結(jié)構(gòu)（重復(fù)結(jié)構(gòu)）
　　通過循環(huán)控制條件來決定是否重復(fù)執(zhí)行相同的語句序列。包括當(dāng)型循環(huán)和直到型循環(huán)。
　　由三部分構(gòu)成
　?、俪跏蓟糠?#xff1a;為循環(huán)作準(zhǔn)備，如為循環(huán)變量賦初值，往往位于循環(huán)語句前面。
　?、谘h(huán)控制部分：循環(huán)控制的條件。
　?、垩h(huán)體部分：循環(huán)工作的重復(fù)部分。

三、C語言程序基本結(jié)構(gòu)和開發(fā)過程

1、C語言程序的基本結(jié)構(gòu)

C語言程序的幾點說明：
（1）以函數(shù)作為模塊單位，有且僅有一個main()函數(shù)即主函數(shù)，總是從main函數(shù)開始執(zhí)行，在main函數(shù)中結(jié)束。
（2）C函數(shù)模塊分為兩大部分
　?、俸瘮?shù)說明部分（函數(shù)首部）：包括函數(shù)類型、函數(shù)名、函數(shù)參數(shù)。
　　②函數(shù)體部分：用左“{”表示開始，用右“}”表示結(jié)束。
（3）語句分為說明性語句和可執(zhí)行語句。每條語句必須以分號“；”結(jié)束，但書寫格式自由，一行可以寫多條語句，一條語句也可以占多行。
（4）編譯預(yù)處理命令不是C語言語句，不能用分號結(jié)束，并且需要單獨一行
（5）任何位置都可以用/**/進(jìn)行注釋，可以用英文或者中文進(jìn)行注釋，但建議使用英文注釋，因為不同的開發(fā)環(huán)境使用的編碼格式不同時，中文易導(dǎo)致亂碼。

#include <stdio.h> /*編譯預(yù)處理命令*//***** 主函數(shù) *****/ void main(void) /*函數(shù)首部*/ { /*函數(shù)體開始*/int r; /*說明性語句*/float area;r = 2; /*可執(zhí)行語句*/area = 3.14*r*r;printf("%f\n", area); } /*函數(shù)體結(jié)束*/

2、C語言程序開發(fā)過程

即：編輯、編譯、連接、運行、調(diào)試。
　　
（1）源程序的編輯
　　使用文本編輯器（Editor）編寫擴展名為.C的C語言源程序，實質(zhì)是文本文件，可用任何文本編輯器來建立。
　　
（2）源程序的編譯
　　使用編譯系統(tǒng)（編譯器）對源程序文件進(jìn)行編譯。若沒有語法錯誤，則生成目標(biāo)程序文件（.OBJ），有錯會給出錯誤信息提示。兩類錯誤：
　　①語法錯誤（Error）：必須修改源文件的錯誤代碼，否則無法生成目標(biāo)程序文件。
　?、?strong>警告錯誤（Warning）：系統(tǒng)按照缺省處理方式生成目標(biāo)程序文件，但不一定符合作者預(yù)期。
　　
（3）目標(biāo)程序文件的連接
　　利用連接器將一個或多個目標(biāo)程序文件與庫文件連接，生成可執(zhí)行文件（.EXE），若找不到所需連接信息，會給出錯誤提示，不生成.EXE文件。
　　
（4）可執(zhí)行文件的運行
　　可執(zhí)行文件可以直接運行。在集成開發(fā)環(huán)境（IDE，Integrated Development Environment）下，可以方便地進(jìn)行代碼的運行和調(diào)試。也可不使用IDE，在Windows系統(tǒng)中，可直接在命令提示符中鍵入文件名來運行可執(zhí)行文件。

（5）可執(zhí)行文件的調(diào)試
　　若.EXE文件運行異常，得不到正確結(jié)果，則要返回源程序進(jìn)行修改。

3、程序開發(fā)環(huán)境

集成開發(fā)環(huán)境IDE
　　初學(xué)的比較經(jīng)典的C語言集成開發(fā)環(huán)境有Microsoft Visual C++（簡稱VC++）和Microsoft Visual Studio（簡稱VS），前者是后者這個完整開發(fā)工具集中的針對C類語言的開發(fā)環(huán)境。在學(xué)校用的是 VC++ 6.0 和 VS 2012 這兩個版本。個人目前做嵌入式開發(fā)比較多，嵌入式Ｃ語言工程多結(jié)合具體的硬件設(shè)備開發(fā)，不同的產(chǎn)品可能有不同的IDE，比如經(jīng)典的 ICCAVR、IAR、Keil、CodeWarrior 等。

關(guān)于編輯器
　　最近常用兩款編輯器，一個是很火的Visual Studio Code，微軟推出的跨平臺、多語言文件格式、輕量級代碼編輯器。一個是由Scitools發(fā)行的Understand，具有很強大的代碼編輯跟蹤和靜態(tài)分析能力，而且界面非常方便友好，堪稱神器。另外一些簡單代碼也會拿Windows記事本或者Notepad++直接擼，不得不說程序猿的工具還是相當(dāng)多而且很人性的！

THE END

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控制流可由控制器指向其余四個部分，但是運算器的數(shù)據(jù)只能跟存儲器交換，控制器從存儲器中取數(shù)據(jù)，也就是控制器與運算器之間沒有直接的數(shù)據(jù)流，但有控制流。 ??

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的C语言程序设计基础（01）—— 计算机与程序设计基础的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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